CN111455453B - 一种生长超晶格铌酸锂晶体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生长超晶格铌酸锂晶体的方法，本发明利用带有超晶格畴结构的掺镁同成分铌酸锂晶体或者掺镁近化学计量比铌酸锂晶体作为籽晶，将籽晶沿着Z向为提拉方向固定，通过温场设计和功率控制，逐渐提拉出截面尺寸接近籽晶XY截面尺寸、Z向高度和籽晶提拉高度相同的带有超晶格畴结构的近化学计量比铌酸锂单晶，该种制备方式相较于传统的制备方式，不仅更加简单，同时，制备的局限性小，可使用的范围也更加大。

Description

一种生长超晶格铌酸锂晶体的方法
技术领域
本发明涉及铌酸锂晶体的制备领域，特别涉及一种生长超晶格铌酸锂晶体的方法。
背景技术
基于准相位匹配(QPM)技术，铌酸锂超晶格的是一种非常重要的非线性光学晶体材料，是实现光频率转换、光参量转换领域的首选材料。铌酸锂超晶格具有诸多优势，首先可以利用晶体的最大非线性系数d33；其次畴结构设计非常灵活，可以满足不同应用场景下的需求。
目前产业上制备铌酸锂超晶格结构现有技术均是通过外加电场法，首先利用提拉法生长铌酸锂晶体，对原生晶体进行退火、极化等后处理程序后，切割、磨抛加工成晶片，然后在晶片上利用微加工光刻技术镀上周期金属电极，最后施加特殊波形的电压实现对晶片铁电畴的周期性反转。由于同成分铌酸锂晶体的矫顽场非常大，约21kV/mm，极大地限制了铁电畴地可反转厚度，目前产业上铌酸锂超晶格样品Z向厚度一般在1mm左右。这种尺寸局限性制约了激光口径，极大地限制了其应用场景和领域。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种生长超晶格铌酸锂晶体的方法，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种生长超晶格铌酸锂晶体的方法，具体步骤如下：
(1)、准备原料：包括籽晶、配料碳酸锂和五氧化二铌；
(2)、制备富锂多晶料：将步骤(1)中准备的配料按照Li2CO3/[Li2CO3+Nb2O5]摩尔比为51.0-52.0％混合，混合均匀后再进行压块，然后再通过高温烧结得到富锂多晶料；
(3)、融化：将籽晶沿Z轴方向固定，然后准备铂金坩埚，利用感应加热或电阻加热的方式将步骤(2)中得到的富锂多晶料融化在铂金坩埚中，保温10个小时后保证熔体均匀混合后将温度保持在熔点下种温度；
(4)、提拉生长：将步骤(3)中固定好的籽晶保持非旋转缓慢的方式下降到液面，控制温度保持籽晶截面积保持不变，稳定后缓慢沿Z轴方向提拉，逐渐提拉出等截面、一定长度的近化学计量比铌酸锂单晶体，脱离液面后，使铌酸锂单晶体缓慢降温。
作为本发明进一步的方案：步骤(1)中的籽晶为带有超晶格畴结构的掺镁同成分铌酸锂晶体或掺镁近化学计量比铌酸锂晶体。
作为本发明进一步的方案：步骤(2)中的混合配料的熔点低于籽晶的居里温度；步骤(2)制备的富锂多晶料熔点低于籽晶的居里温度。
作为本发明进一步的方案：步骤(3)中的籽晶的长度、宽度和高度比例为6：20：2-3。
作为本发明进一步的方案：步骤(4)中的实时温度均低于近化学计量比铌酸锂晶体的居里温度。
作为本发明进一步的方案：步骤(4)中的提拉速度为0.2-1.5mm/h。
作为本发明进一步的方案：步骤(4)中的籽晶在高温生长过程中保持超晶格结构，步骤(4)中实时提拉出的近化学计量比铌酸锂晶体为铁电相。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明利用带有超晶格畴结构的掺镁同成分铌酸锂晶体或者掺镁近化学计量比铌酸锂晶体作为籽晶，将籽晶沿着Z向为提拉方向固定，通过温场设计和功率控制，逐渐提拉出截面尺寸接近籽晶XY截面尺寸、Z向高度和籽晶提拉高度相同的带有超晶格畴结构的近化学计量比铌酸锂单晶，该种制备方式相较于传统的制备方式，不仅更加简单，同时，制备的局限性小，可使用的范围也更加大。
附图说明
图1为本发明一种生长超晶格铌酸锂晶体的方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
实施例1
本发明公开了一种生长超晶格铌酸锂晶体的方法，具体步骤如下：
(1)、准备原料：包括籽晶、配料碳酸锂和五氧化二铌；
(2)、制备富锂多晶料：将步骤(1)中准备的配料按照Li2CO3/[Li2CO3+Nb2O5]摩尔比为51.5％混合，混合均匀后再进行压块，然后再通过高温烧结得到富锂多晶料600g；
(3)、融化：将籽晶沿Z轴方向固定，然后准备直径60mm、高60mm的铂金坩埚，利用感应加热或电阻加热的方式将步骤(2)中得到的富锂多晶料融化在铂金坩埚中，保温10个小时后保证熔体均匀混合后将温度保持在熔点下种温度；
(4)、提拉生长：将步骤(3)中固定好的籽晶保持非旋转缓慢的方式下降到液面，控制温度保持籽晶截面积保持不变，稳定后缓慢沿Z轴方向提拉，逐渐提拉出等截面、10mm长的近化学计量比铌酸锂单晶体，脱离液面后，使铌酸锂单晶体缓慢降温。
步骤(1)中的籽晶为带有超晶格畴结构的掺镁同成分铌酸锂晶体或掺镁近化学计量比铌酸锂晶体。
步骤(2)中的混合配料的熔点低于籽晶的居里温度；步骤(2)制备的富锂多晶料熔点低于籽晶的居里温度。
步骤(3)中的籽晶的长度、宽度和高度比例为6：20：2-3。
步骤(4)中的实时温度均低于近化学计量比铌酸锂晶体的居里温度。
步骤(4)中的提拉速度为0.2mm/h。
步骤(4)中的籽晶在高温生长过程中保持超晶格结构，步骤(4)中实时提拉出的近化学计量比铌酸锂晶体为铁电相。
实施例2
本发明公开了一种生长超晶格铌酸锂晶体的方法，具体步骤如下：
(1)、准备原料：包括籽晶、配料碳酸锂和五氧化二铌；
(2)、制备富锂多晶料：将步骤(1)中准备的配料按照Li2CO3/[Li2CO3+Nb2O5]摩尔比为51.5％混合，混合均匀后再进行压块，然后再通过高温烧结得到富锂多晶料600g；
(3)、融化：将籽晶沿Z轴方向固定，然后准备直径60mm、高60mm的铂金坩埚，利用感应加热或电阻加热的方式将步骤(2)中得到的富锂多晶料融化在铂金坩埚中，保温10个小时后保证熔体均匀混合后将温度保持在熔点下种温度；
(4)、提拉生长：将步骤(3)中固定好的籽晶保持非旋转缓慢的方式下降到液面，控制温度保持籽晶截面积保持不变，稳定后缓慢沿Z轴方向提拉，逐渐提拉出等截面、10mm长的近化学计量比铌酸锂单晶体，脱离液面后，使铌酸锂单晶体缓慢降温。
步骤(1)中的籽晶为带有超晶格畴结构的掺镁同成分铌酸锂晶体或掺镁近化学计量比铌酸锂晶体。
步骤(2)中的混合配料的熔点低于籽晶的居里温度；步骤(2)制备的富锂多晶料熔点低于籽晶的居里温度。
步骤(3)中的籽晶的长度、宽度和高度比例为6：20：2-3。
步骤(4)中的实时温度均低于近化学计量比铌酸锂晶体的居里温度。
步骤(4)中的提拉速度为1mm/h。
步骤(4)中的籽晶在高温生长过程中保持超晶格结构，步骤(4)中实时提拉出的近化学计量比铌酸锂晶体为铁电相。
实施例3
本发明公开了一种生长超晶格铌酸锂晶体的方法，具体步骤如下：
(1)、准备原料：包括籽晶、配料碳酸锂和五氧化二铌；
(2)、制备富锂多晶料：将步骤(1)中准备的配料按照Li2CO3/[Li2CO3+Nb2O5]摩尔比为51.5％混合，混合均匀后再进行压块，然后再通过高温烧结得到富锂多晶料600g；
(3)、融化：将籽晶沿Z轴方向固定，然后准备直径60mm、高60mm的铂金坩埚，利用感应加热或电阻加热的方式将步骤(2)中得到的富锂多晶料融化在铂金坩埚中，保温10个小时后保证熔体均匀混合后将温度保持在熔点下种温度；
(4)、提拉生长：将步骤(3)中固定好的籽晶保持非旋转缓慢的方式下降到液面，控制温度保持籽晶截面积保持不变，稳定后缓慢沿Z轴方向提拉，逐渐提拉出等截面、10mm长的近化学计量比铌酸锂单晶体，脱离液面后，使铌酸锂单晶体缓慢降温。
步骤(1)中的籽晶为带有超晶格畴结构的掺镁同成分铌酸锂晶体或掺镁近化学计量比铌酸锂晶体。
步骤(2)中的混合配料的熔点低于籽晶的居里温度；步骤(2)制备的富锂多晶料熔点低于籽晶的居里温度。
步骤(3)中的籽晶的长度、宽度和高度比例为6：20：2-3。
步骤(4)中的实时温度均低于近化学计量比铌酸锂晶体的居里温度。
步骤(4)中的提拉速度为1.5mm/h。
步骤(4)中的籽晶在高温生长过程中保持超晶格结构，步骤(4)中实时提拉出的近化学计量比铌酸锂晶体为铁电相。
表1为从实施例1-3中的制作出的铌酸锂单晶体的尾部切割一片沿Z轴方向的1mm的晶片，抛光后利用原子力显微镜对其进行的检测，结果如下：
Figure BDA0002489050280000071
由表1实验数据可知，本发明制备得到的铌酸锂单晶体，即使籽晶的尺寸、提拉速度的不同，也能够制备出效果良好的铌酸锂单晶体。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种生长超晶格铌酸锂晶体的方法，其特征在于：具体步骤如下：
(1)、准备原料：包括籽晶、配料碳酸锂和五氧化二铌；
(2)、制备富锂多晶料：将步骤(1)中准备的配料按照Li2CO3/[Li2CO3+Nb2O5]摩尔比为51.0-52.0％混合，混合均匀后再进行压块，然后再通过高温烧结得到富锂多晶料；
(3)、融化：将籽晶沿Z轴方向固定，然后准备铂金坩埚，利用感应加热或电阻加热的方式将步骤(2)中得到的富锂多晶料融化在铂金坩埚中，保温10个小时后保证熔体均匀混合后将温度保持在熔点下种温度；
(4)、提拉生长：将步骤(3)中固定好的籽晶保持非旋转缓慢的方式下降到液面，控制温度保持籽晶截面积保持不变，稳定后缓慢沿Z轴方向提拉，逐渐提拉出等截面、一定长度的近化学计量比铌酸锂单晶体，脱离液面后，使铌酸锂单晶体缓慢降温。
2.根据权利要求1所述的一种生长超晶格铌酸锂晶体的方法，其特征在于：步骤(1)中的籽晶为带有超晶格畴结构的掺镁同成分铌酸锂晶体或掺镁近化学计量比铌酸锂晶体。
3.根据权利要求1所述的一种生长超晶格铌酸锂晶体的方法，其特征在于：步骤(2)中的混合配料的熔点低于籽晶的居里温度；步骤(2)制备的富锂多晶料熔点低于籽晶的居里温度。
4.根据权利要求1所述的一种生长超晶格铌酸锂晶体的方法，其特征在于：步骤(3)中的籽晶的长度、宽度和高度比例为6：20：2-3。
5.根据权利要求1所述的一种生长超晶格铌酸锂晶体的方法，其特征在于：步骤(4)中的实时温度均低于近化学计量比铌酸锂晶体的居里温度。
6.根据权利要求1所述的一种生长超晶格铌酸锂晶体的方法，其特征在于：步骤(4)中的提拉速度为0.2-1.5mm/h。
7.根据权利要求1所述的一种生长超晶格铌酸锂晶体的方法，其特征在于：步骤(4)中的籽晶在高温生长过程中保持超晶格结构，步骤(4)中实时提拉出的近化学计量比铌酸锂晶体为铁电相。
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钕镁共掺铌钽酸锂晶体的激光特性及其在激光显示中的应用研究;王东周;《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20161115;参见第14页第1.3.3周期极化晶体的制备第1、3段 *

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